7学院电子学研究所--生物芯片技术简介

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1、生物芯片技术简介赵湛中国科学院电子学研究所1主要内容生物芯片概念生物芯片的种类型生物芯片的设计及制备方法国际国内发展情况什么是生物芯片？类比分析：晶体管——集成电路——计算机芯片生物芯片——计算机芯片计算机芯片——电子信息生物芯片——生物分子携带的信息定义：生物芯片是一种可以快速地、高通量（并行）地处理生物信息的器件。生物芯片的发展历史很短——随着基因组计划而发展起来的基因测序很长——基础是生物传感器的发展分子识别生物芯片概念生物芯片是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，它主要是指通过微加工技术和微电子技术在固体基片表面构建的微型生物化学

2、分析系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。生物芯片的主要特点是高通量、微型化和自动化。芯片上集成的成千上万的密集排列的分子微阵列，能够在短时间内分析大量的生物分子，使人们快速准确地获取样品中的生物信息，效率是传统检测手段的成百上千倍。研究意义生物芯片将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命；集成电路对改善我们的生活产生了巨大的影响，生物芯片将对保护我们的生命起重要的作用。研究意义YearDNAChipLabChipProteinChipTotal1999$158$14$4$1762001$24

3、9$35$8$2922005$745$157$68$950美国的《电子商务》（ElectronicBusiness）对近年来和未来生物芯片的市场做了统计和预测，如下表（单位为百万美元）生物芯片的分类按应用对象分类生物芯片的分类按制作方法分类点阵型生物芯片原理：分子识别方法：生物传感器平面集成结构：阵列形分布点阵型生物芯片生物芯片与生物传感器生物传感器原理两部分组成：分子识别膜酶反应抗原抗体核酸换能器电流、电位电极场效应晶体管压电晶体光纤SPR点阵型生物芯片生物传感器光纤生物传感器点阵型生物芯片DNA探针(基因片断）概念Probe:capture;rep

4、orter生物芯片－生物传感器集成光纤生物传感器集成点阵型生物芯片所谓点阵生物芯片就是将大量的探针（基因片段），有序地、高密度地排列在面积不大的以玻璃、硅以及硝酸纤维膜等为载体（或称基片）的表面上；所排列得基因片断是已知碱基序列并且是固定于一定位置的可寻址的识别分子，当被测的分子与识别分子（探针）在一定的反应体系内发生杂交反应；反应结果可用同位素法、化学荧光法、化学发光法或酶标法显示，然后用精密的扫描仪或CCD摄像技术记录；通过计算机软件分析，综合成可读的生物信息。可以达到快速、准确、高效地分析生物信息的目的。点阵芯片的制作技术（1）点样法点接触法喷墨

5、法…原位合成法光刻合成法分子印章法……点阵芯片的制作技术（2）点接触法特点：实验样机容易做，是一种快速、经济的仪器，可以在3.6cm2面积上点1万个cDNA每个样品都必须是经过纯化合成好的。点阵芯片的制作技术（3）喷墨法特点：通过压电晶体或其他推进形式把生物样品喷射到载体上，1cm2可以喷射1万个点，为非接触式；每个样品都必须是经过纯化合成好的。点阵芯片的制作技术（4）光刻DNA合成法特点：微电子中的光刻工艺与DNA的化学合成方法相结合，合成密度高，在1.6cm2的面积上能合成40万组寡核苷酸；缺点：成本高。点阵芯片的制作技术（5）分子印章法东南大学发

6、明高密度点阵芯片的制作技术（6）Affymetrix高密度点阵芯片制作示意录像点阵芯片的制作技术（6）μ-StampPIXSYSTMPA系统容量匹升（10-12）级生物芯片点样系统全自动针型阵列（pinarray）点样系统，非常适用于基因组研究中制备高密生物芯片组高精度点样可达2500点/cm2点样量范围宽，可达100到500微微升极短的程序运行周期，32个样品片仅需80秒即可完成从浸样、点样到冲洗全过程可一次处理50个样品片或8个微孔板生物芯片的应用基因表达药物筛选疾病诊断农作物育种和改良生物武器司法鉴定食品卫生监督……DNA点阵芯片蛋白质点阵生物芯

7、片主动点阵芯片Nanogen公司的NanoChipLOC生物芯片简介BioMEMS,LOC,µTAS实验室芯片（Labonachip）结构上具有：微驱动泵、微阀、微流通道、样品处理器、检测和后处理等分析全过程功能上具有：进样、稀释、加试剂、混合、反应、分离、混合池、计量器、微反应器、分离器件、（如毛细管电泳芯片）检测器件（如生物、化学传感器）等微元器组成。毛细管电泳LOC示意图LOC的特点尺寸小、微型化功能集成化、分析速度快耗样量少、系统功耗小系统智能化、自启动、自治、自闭系统最少的外部连接，污染小，可一次性使用可实时、在位、连续监测，可用于无法接近的

8、微环境下可批量生产，降低成本LOC设计和制造要求流体在通道和毛细管内流速均匀，尽可能小的死体积